JP3247204U - リチウムイオン電池 - Google Patents

Abstract

リチウムイオン電池が開示される。リチウムイオン電池は、表面に正極活物質が配置される正極集電体と、表面に負極活物質が配置され、正極集電体に対向して配置される負極集電体と、正極活物質と負極活物質との間に配置されるセパレータ及び電解質と、正極集電体と電気的に接触している正極柱と、負極集電体と電気的に接触している負極柱と、正極集電体及び負極集電体、セパレータ及び電解質を封入し、正極柱及び負極柱が貫通している外装体とを備え、正極集電体及び負極集電体の表面は、規則的及び／又はランダムなテクスチャ構造を有している。

Description

本出願は、電池の分野に関し、特に、リチウムイオン電池に関する。

充電式リチウムイオン電池は、一般に、電気化学セルを１個以上含み、電気化学セルのそれぞれは、負極と、正極と、負極と正極との間でリチウムイオンを伝導するための電解質とを有する。液体電解液で湿潤した多孔質セパレータを正極と負極との間に挟み込むことによって、自由なイオンの流れを許容しつつ、電極同士を相互から物理的に分離及び電気的に絶縁することができる。負極及び正極の各々は、一般的には、金属集電体上に担持されるか、又は金属集電体に接続される。集電体同士は、電池の充電中及び放電中にリチウムイオンが電気化学セルを通って反対方向に移動する間に、電子を一方の電極から他方の電極に通過させることができる遮断可能な外部回路によって、相互に接続することができる。

放電中、負極はインターカレーションされたリチウムを比較的高濃度含み、インターカレーションされたリチウムは酸化されて、リチウムイオンと電子になる。リチウムイオンは、負極（カソード）から正極（アノード）まで、電解質を通って（すなわち、多孔質セパレータを通って）移動する。同時に、電子は、負極から正極へと外部回路を通過する。リチウムイオンは、電気化学的な還元反応によって正極の材料に取り込まれる。電池は、その利用可能な容量の部分放電又は完全放電の後に、外部電源によって再充電することができ、再充電は放電中に生じる電気化学反応を逆転させる。

再充電中、正極中のインターカレーションされたリチウムは酸化され、リチウムイオンと電子になる。リチウムイオンは、電解質を介して（すなわち、多孔質セパレータを介して）正極から負極に移動し、電子は外部回路を通って負極に移動する。リチウムカチオンは、負極で元素リチウムに還元され、再使用のために負極の材料に貯蔵される。

本出願は、正極集電体及び負極集電体の接触表面積を増大し、それによって正極集電体及び負極集電体の内部導電抵抗を減少させ、正極集電体及び負極集電体の電気伝導性を高める、リチウムイオン電池を提供する。また、正極集電体及び負極集電体のそれぞれに導電性材料をコーティングすることにより、内部導電抵抗をさらに低減することができ、電気伝導性をさらに高めることができる。

本出願の一態様では、リチウムイオン電池が提供される。リチウムイオン電池は、正極集電体であって、正極活物質が正極集電体の表面に配置された正極集電体と、負極集電体であって、負極活物質が負極集電体の表面に配置され、正極集電体に対向して配置された負極集電体と、正極活物質と負極活物質との間に配置されるセパレータ及び電解質と、正極集電体と電気的に接触する正極柱と、負極集電体と電気的に接触する負極柱と、正極集電体、負極集電体、セパレータ及び電解質を封入する外装体であって、正極柱及び負極柱が貫通している外装体と、を備え、正極集電体及び負極集電体の表面は、規則的及び／又はランダムなテクスチャ構造を有している。

任意選択的に、一部の実施形態では、０．５ミクロンから２ミクロンまでの範囲にわたる厚さを有する導電性材料層が、正極集電体と正極活物質との間、及び負極集電体と負極活物質との間にそれぞれ配置される。

任意選択的に、一部の実施形態では、導電性材料層は、グラフェン及び／又はカーボンナノチューブから形成される。

任意選択的に、一部の実施形態では、正極集電体は、１２ミクロンから２５ミクロンまでの範囲にわたる厚さを有するアルミニウム箔で作製される。

任意選択的に、一部の実施形態では、負極集電体は、６ミクロンから１８ミクロンまでの範囲にわたる厚さを有する銅箔で作製される。

任意選択的に、一部の実施形態では、正極活物質は、リチウムマンガナイト（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、及びリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）のうちの少なくとも１つを含む。

任意選択的に、一部の実施形態では、負極活物質は、グラファイト、グラファイトとケイ素との混合物、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、及びチタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）のうちの少なくとも１つを含む。

任意選択的に、一部の実施形態では、テクスチャ構造は、表面に複数のディンプルを含む。

任意選択的に、一部の実施形態では、複数のディンプルのそれぞれは、０より大きく５ミクロン以下の深さと、０より大きく１００ミクロン以下の開口径とを有する。

任意選択的に、一部の実施形態では、正極集電体及び負極集電体の表面並びに複数のディンプルの表面は、粗面化処理によって得られたランダムなテクスチャ構造をさらに含む。

本出願の実施形態における技術的解決策をより明確に説明するために、実施形態の説明で使用する必要がある図面を以下に簡単に紹介する。明らかに、以下の説明における図面は、本出願の一部の実施形態にすぎず、当業者にとっては、創造的な仕事に取り組まないという前提のもとに、これらの図面に従って他の図面を得ることができる。

図１は、本出願の一実施形態に係るリチウムイオン電池の概略構造図である。 図２は、図１に示すリチウムイオン電池における集電体の概略構成図である。 図３は、図２に示す集電体をＡ－Ａ方向に沿って見た、平面Ｆによる断面図である。 図４は、図２に示す集電体を粗面化処理した後の様子を模式的に示す図である。

図面は、実施形態を説明するためにのみ使用されているため、縮尺通りに描く必要はないことを理解されたい。図面中の同様の参照符号は、同一又は類似の構成要素、要素及び部品を示す。

以下では、本出願の実施形態における技術的解決策を、本出願の実施形態の図面に関連して明確かつ完全に説明する。明らかに、記載された実施形態は、本出願の一部の実施形態にすぎず、その実施形態のすべてではない。本出願の実施形態に基づいて、創造的な仕事に取り組まないという前提のもとに、当業者によって得られる他のすべての実施形態は、本出願の保護範囲内に含まれる。

本出願の一態様では、リチウムイオン電池が提供される。図１に示すように、リチウムイオン電池１００は、正極集電体１０１であって、正極集電体１０１の表面に正極活物質１０２が配置される正極集電体１０１と、負極集電体１０４であって、負極集電体１０４の表面に負極活物質１０７が配置され、正極集電体１０１に対向して配置される負極集電体１０４と、正極活物質１０２と負極活物質１０７との間に配置されたセパレータ及び電解質１０３と、正極集電体１０１と電気的に接触する正極柱１０６と、負極集電体１０４と電気的に接触する負極柱１０５と、正極集電体１０１、負極集電体１０４、セパレータ及び電解質１０３を封入する外装体１０８であって、正極柱１０６及び負極柱１０５が貫通している外装体１０８と、を備え、正極集電体１０１の表面及び負極集電体１０４の表面は、規則的及び／又はランダムなテクスチャ構造を有している。セパレータ及び電解質１０３は、正極集電体１０１と負極集電体１０４との間で、ひと続きの「几」の形に延伸しており、これによって、正極集電体１０１及び負極集電体１０４を取り囲むとともに、正極集電体１０１と負極集電体１０４とを相互から分離している。本開示において、「規則的なテクスチャ構造」という用語は、以下で図２を参照して説明するように、特定の形状及び構造を有する微細構造を一定の規則に従ってアレイの形態で配置することによって集電体の表面に形成されたテクスチャ構造を指し、「ランダムなテクスチャ構造」という用語は、特定の形状及び構造を有さない微細構造を規則に縛られずに配置することによって集電体の表面に形成されたテクスチャ構造を指すことを理解されたい。したがって、本開示において、「ランダムなテクスチャ構造」という用語には、適切な粗面化処理によって集電体の表面に形成された粗面のテクスチャ構造も含まれる。

本出願の実施形態では、正極集電体１０１は、１２ミクロンから２５ミクロンまでの範囲にわたる厚さを有するアルミニウム箔から作製することができる。本出願の他の実施形態では、負極集電体は、６ミクロンから１８ミクロンまでの範囲にわたる厚さを有する銅箔から作製することができる。本出願のリチウムイオン電池１００では、正極集電体１０１を表面処理することにより、その表面積が元の表面積の少なくとも１．５倍に増大するため、アルミニウム箔の内部導電抵抗が減少し、その導電性が高まり、さらに、負極集電体１０４を表面処理することにより、その表面積が元の表面積の少なくとも１．３倍に増大するため、銅箔の内部導電抵抗が低減し、その電気伝導性が高まる。これにより、リチウムイオン電池１００の急速充放電性能を実現することができる。

本出願の実施形態では、０．５ミクロンから２ミクロンまでの範囲内の厚さを有する導電性材料層を、正極集電体１０１と正極活物質１０２との間に配置してもよい。任意選択的に、０．５ミクロンから２ミクロンまでの範囲内の厚みを有する導電性材料層を、負極集電体１０４と負極活物質１０７との間にも配置してもよい。本出願の実施形態では、導電性材料層は、グラフェン及び／又はカーボンナノチューブから形成される。

アルミニウムの抵抗率は２．８３×１０^－８Ω・ｍであり、銅の抵抗率は１．７５×１０^－８Ω・ｍであり、グラフェンやカーボンナノチューブの抵抗率はさらに小さい。そのため、グラフェン及び／又はカーボンナノチューブから形成された導電性材料層を設けることにより、正極集電体１０１及び負極集電体１０４の内部導電抵抗をさらに低減してその電気伝導性を高めることができる。

任意選択的に、一部の実施形態では、正極活物質１０２は、リチウムマンガナイト（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、及びリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）のうちの少なくとも１つを含むことができる。

任意選択的に、一部の実施形態では、負極活物質１０７は、グラファイト、グラファイトとケイ素との混合物、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、及びチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）のうちの少なくとも１つを含むことができる。

図２を参照して、図１に示すリチウムイオン電池における集電体１０１及び１０４の構造を模式的に示す。図２に示すように、集電体１０１、１０４は、第１の表面３０１と、対向する第２の表面３０２とを有する。複数の円形ディンプル３０３を第１の表面３０１に設けて、表面にテクスチャ構造を形成してもよい。ディンプル３０３の形状は、それ以外の適切な形状、例えば、三角形、長方形、楕円形等にすることもでき、ディンプル３０３の形状は本明細書では特に限定されないことを理解されたい。任意選択的に、一部の実施形態では、複数のディンプル３０３を第２の表面３０２に設けてもよい。

図３を図２と併せて参照すると、図２の集電体１０１、１０４をＡ－Ａ方向に沿って見た、平面Ｆによる断面図が示されている。図３に示すように、各ディンプル３０３は、深さｈ及び開口径Ｗを有する。任意選択的に、一部の実施形態では、深さｈは、０より大きく５ミクロン以下の範囲内にあってもよく、開口径Ｗは、０より大きく１００ミクロン以下の範囲内にあってもよい。図２及び図３は、集電体の表面のテクスチャ構造の例示的な実施形態を示しているにすぎず、本出願による集電体の表面のテクスチャ構造はこれに限定されないことに留意されたい。例えば、第１の表面３０１及び／又は第２の表面３０２には、代替的又は追加的に、複数の突起部、複数の凹凸条及び複数のグリッドのうちの少なくとも１つが設けられてもよい。

図４を参照して、図２に示す集電体１０１、１０４に対して粗面化処理を行った後の様子を模式的に示す。第１の表面３０１及び／又は第２の表面３０２が複数のディンプル３０３を有する場合には、適切な化学試薬によって集電体１０１、１０４に粗面化処理を施して、第１の表面３０１、第２の表面３０２及び複数のディンプル３０３の表面を粗面化し、ランダムなテクスチャ構造をさらに得ることにより、集電体１０１及び１０４の比表面積をさらに増大することができ、その内部導電抵抗をさらに低減することができて、その導電性能をさらに高めることができる。あるいは、一部の実施形態では、化学試薬は塩酸又は硫酸であり得る。

本明細書及び実用新案登録請求の範囲で使用される不定冠詞「１つの（ａ）」及び「１つの（ａｎ）」は、特段の記載が明確に示されていない限り、「少なくとも１つの」を意味すると理解されたい。

本明細書及び実用新案登録請求の範囲で使用される「及び／又は」という語句は、そのように等位接続された要素の「一方又は両方」、すなわち、ある場合には連言的に存在し、他の場合には別個に存在する要素を意味すると理解されたい。「及び／又は」を用いて列挙された複数の要素は、同じように、すなわちそのように等位接続された要素の「１つ又は複数」と解釈されたい。「及び／又は」節によって具体的に特定された要素以外の他の要素が、具体的に特定された要素に関連するか否かにかかわらず、任意選択的に存在してもよい。したがって、非限定的な例として、「Ａ及び／又はＢ」への言及は、「を含み」などのオープンエンドの言い回しと共に使用される場合、一実施形態では、Ａのみ（場合によってはＢ以外の要素を含む）を指すことができ、別の実施形態では、Ｂのみ（場合によってはＡ以外の要素を含む）を指すことができ、さらに別の実施形態では、Ａ及びＢの両方（場合によっては他の要素を含む）を指すことができる、等である。

本明細書及び実用新案登録請求の範囲で使用される場合、１つ又は複数の要素のリストに関連して「少なくとも１つ」という語句は、要素のリスト内の要素のいずれか１つ又は複数から選択される少なくとも１つの要素を意味するが、要素のリスト内に具体的に列挙されたありとあらゆる要素の少なくとも１つを必ずしも含まず、要素のリスト内の要素の任意の組合せを除外しないことを理解されたい。また、この定義は「少なくとも１つ」という語句が指す要素のリスト内で具体的に特定された要素以外の要素が、具体的に特定された要素に関連するか否かにかかわらず、任意選択的に存在し得ることを許容する。したがって、非限定的な例として、「Ａ及びＢの少なくとも一方」（又は、同等に、「Ａ又はＢの少なくとも一方」、又は、同等に、「Ａ及び／又はＢの少なくとも一方」）は、一実施形態では、Ｂが存在しない（及び場合によってはＢ以外の要素を含む）少なくとも１つのＡ（場合によっては２つ以上のＡ）を指すことができ、別の実施形態では、Ａが存在しない（及び場合によってはＡ以外の元素を含む）少なくとも１つのＢ（場合によっては２つ以上のＢ）を指すことができ、さらに別の実施形態では、少なくとも１つのＡ（場合によっては２つ以上のＡ）、及び少なくとも１つのＢ（場合によっては２つ以上のＢ）（及び場合によっては他の要素を含む）を指すことができる、等である。

実用新案登録請求の範囲及び上記の明細書において、「を備える」、「を含む」、「を持つ」、「を有する」、「を含有する」、「を伴う」、「を保持する」、「から構成される」などのすべての移行句は、オープンエンドであること、すなわち、「を含むが、これに限定されるものではない」ことを意味すると理解されたい。移行句「からなる」及び「から本質的になる」のみが、それぞれ限定的又は準限定的な移行句であるものとする。

上記は本出願の実施形態にすぎず、本出願の保護範囲はこれに限定されない。本技術分野に精通した技術者であれば、本出願によって開示された技術的範囲内の変更又は置換を容易に想到することができ、それは本出願の保護範囲内に含まれるべきである。したがって、本出願の保護範囲は、実用新案登録請求の範囲の保護範囲に基づくべきである。

Claims (10)

1. 正極集電体であり、正極活物質が前記正極集電体の表面に配置された前記正極集電体と、
   負極集電体であり、負極活物質が前記負極集電体の表面に配置され、前記正極集電体に対向して配置された前記負極集電体と、
   前記正極活物質と前記負極活物質との間に配置されたセパレータ及び電解質と、
   前記正極集電体と電気的に接触する正極柱と、
   前記負極集電体と電気的に接触する負極柱と、
   前記正極集電体、前記負極集電体、前記セパレータ及び前記電解質を封入する外装体であり、前記正極柱及び前記負極柱が貫通している前記外装体と、
   を備え、
   前記正極集電体及び前記負極集電体の前記表面は、規則的及び／又はランダムなテクスチャ構造を有する、リチウムイオン電池。
2. ０．５ミクロンから２ミクロンまでの範囲にわたる厚さを有する導電性材料層が、前記正極集電体と前記正極活物質との間、及び前記負極集電体と前記負極活物質との間にそれぞれ配置される、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
3. 前記導電性材料層が、グラフェン及び／又はカーボンナノチューブから形成される、請求項２に記載のリチウムイオン電池。
4. 前記正極集電体が、１２ミクロンから２５ミクロンまでの範囲にわたる厚さを有するアルミニウム箔から作製される、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
5. 前記負極集電体が、６ミクロンから１８ミクロンまでの範囲にわたる厚さを有する銅箔から作製される、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
6. 前記正極活物質が、マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、及びリン酸鉄リチウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
7. 前記負極活物質が、グラファイト、グラファイトとケイ素との混合物、二酸化チタン、及びチタン酸リチウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
8. 前記テクスチャ構造が、前記表面に複数のディンプルを含む、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
9. 前記複数のディンプルのそれぞれが、０より大きく５ミクロン以下の深さと、０より大きく１００ミクロン以下の開口径とを有する、請求項８に記載のリチウムイオン電池。
10. 前記正極集電体及び前記負極集電体の前記表面並びに前記複数のディンプルの表面が、粗面化処理によって得られたランダムなテクスチャ構造をさらに含む、請求項８に記載のリチウムイオン電池。

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